CN1199459A

CN1199459A - 具有至少五个自由度的目标物的位置检测系统

Info

Publication number: CN1199459A
Application number: CN97191120.7A
Authority: CN
Inventors: W·G·奥菲; G·E·范罗斯马伦
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1998-11-18
Also published as: JPH11512187A; WO1998001720A2; EP0853751A2; WO1998001720A3; US5784168A

Abstract

本发明描述了一种位置检测系统(80),该系统用来检测一个目标物(20)在至少五自由度内的位移,该系统包括:光源(33);用来形成第一测量子光束(45)和第二测量子光束(50)的分束器(36);设置在这些测量光束(45,50)中的一个的光路中的反射器(38);和组合光敏检测系统(60)。第一测量子光束(45)用来检测沿三个相互垂直的轴(X,Y,Z)的位移,第二测量子光束(50)用来检测绕这些轴中至少两个轴的旋转角。

Description

具有至少五个自由度的目标物的位置检测系统

本发明涉及一种位置检测系统，该系统用来检测一个目标物相对于此系统沿一正交直角坐标系的三个轴的位移，以及检测该目标物绕三个轴中两轴的旋转角，所述目标物具有一个反射基准面，在该反射基准面上设置一个球形元件，所述系统包括：光源，用来提供测量光束；光学系统，用来形成一个第一测量子光束和一个第二测量子光束，所述第一测量子光束聚焦于球形元件弯曲部分的中央，它用来测量所述位移，所述第二测量子光束基本上照射到基准面上球形元件的外侧，它用来测量所述旋转角；光敏检测系统，设置于由基准面反射的、并穿过光学系统的测量子光束的光路上，该光敏检测系统包括用于第一测量子光束的第一检测器和用于第二测量子光束的第二检测器，光学系统装有一个朝向基准面的分束器。

本发明还涉及一种用来扫描媒体的光学设备，该设备装有上述这样一个位置检测系统。本发明还涉及一种多面镜，它用作上述位置检测系统和上述设备中的目标物。

应认为“媒体”一词具有较广的含义，它包括例如带形记录载体、打印机中的光敏层、或是可用电磁照射光写的图像显示板，其中由所写的图像组成信息。

自从引进数字光学记录技术以来，对增大所使用的媒体的存贮容量从而例如可将数字视频信号存在这样一个媒体上的需求有所增长。在人们已知的音频唱盘或小型光盘(CD)和由例如CD-ROM、CD-I等所驱动的媒体中，存贮容量由形成于这些媒体的信息面中的扫描光斑的大小决定，该扫描光斑决定扫描装置的分辨率，并由此确定信息细节部分例如仍可被分别检测的信息抗的最小尺寸。当然扫描光斑的尺寸可通过减小所用的扫描光束的波长和/或通过增大形成扫描光斑的物镜系统的数值孔径来减小，但是这只能达到一个有限的程度而不能使存贮容量增大到十倍或更多。

如SPIE，第2338卷，Optical Data Storage，1994年第8-14页中的文章“A Compact Optical Tape Recording System”中所述，可将容量和扫描速度增加几个数量级，同时通过采用带形记录载体来保持传统的扫描光斑尺寸，沿纵向看该带形记录载体沿一光学扫描装置向前移动，且其中在沿与记录带的纵向相垂直的方向延伸的信息记录道中提供信息。为扫描这些信息记录道，扫描装置包括一个具有例如六个镜面的多面镜形式的扫描元件。在多面镜旋转时，各相邻镜面的每个镜面确保一个信息记录道被扫描，由此使该信息记录道被写或读。

在SPIE文章中所述的扫描设备中，将多面镜绕轴颈安装并用电磁装置驱动它。必要时对五个自由度范围内的多面镜的位置连续检测，以便对其进行校正。为此，该已知的设备包括一个位置检测系统，其中产生一个照射光束，用一个分束器将一部分照射光束作为测量光束反射到多面镜的上侧，该上侧起基准面的作用。在分束器和基准面之间设置一个特殊的透镜，它将测量光束的外围部分聚焦于一个球形元件的弯曲部分的中央，该球形元件设在基准面的中央部分。所述外围部分组成第一测量子光束。第二测量子光束由测量光束的中间部分组成，所述透镜对第二测量子光束并不起透镜的作用，而是仅为该测量子光束的主光束提供一个与第一测量子光束的主光束方向不同的方向。由基准面反射的第一与第二测量子光束由分束器分别传到第一与第二检测器，这些检测器将这些光束转换为电信号。每个检测器都由一个象限检测器构成，该象限检测器即为一个由分布在四个不同象限内的四个检测部分组成的检测器。

在该已知的位置检测系统中，仅将测量照射光束的一部分例如一半射向基准面用于测量，而该照射光的其余部分被散失掉。另外，其中用来对测量光束进行聚焦的透镜是一个极不普通的透镜，很难制造该透镜，从而使该系统变得很昂贵。再有，用该检测系统仅能测量绕X轴与Y轴的旋转角，却无法测量绕Z轴的旋转角，Z轴即为多面镜必须绕其旋转以实现所需扫描的轴。

本发明的目的在于提供一种位置检测系统，其中可以用一个标准的透镜来进行聚焦，并且其中更好地使用了测量照射光束。为此，按照本发明的位置检测系统的特征在于，其光学系统还装有一个反射器，它把由分束器所传送的测量光束部分作为一个测量子光束向基准面反射，并且其特征还在于分束器把测量光束的另一部分作为另一测量子光束向基准面反射。

在本位置检测系统中，测量子光束不再由一个具有特殊形状的透镜产生，而是由分束器产生，从而分束器具有一个双重功能而不再需要使用一个特殊成形的透镜。另外，这就可将测量光束的最大照射光量用于测量以获得更强的测量信号。该分束器可以是一种极化中性分束器，但它另外也可以由一个光敏分束器和一个四分之一波长板的组合来构成。

本位置检测系统的一个优选实施例的特征还在于，第二测量子光束还测量目标物绕第三轴的旋转角，为此，基准面设有至少一个具有与其周围不同的反射面的区域。

在一个用于带形记录载体的扫描设备中，本实施例尤为重要。由于本位置检测系统还提供一个表示绕Z轴或多面镜的旋转轴的旋转角的测量信号，所以不必再采用一个用来产生该信号的分开的检测系统。

按照本发明的位置检测系统的第一实施例，其特征还在于，在一个与测量光束的主光束成某一夹角的位置处设置反射器，以使由反射器所反射的测量子光束与法线成一锐角照射在基准面上，其中所述测量子光束为第二测量子光束，并且其中在由分束器反射的第一测量子光束的光路中设置一个会聚透镜系统。

由于第二测量子光束与法线成一小的夹角照射在基准面上，所以在基准面反射之后，该测量子光束的主光束具有一个与第一测量子光束的主光束不同的方向，从而使这些光束在检测平面内充分分开以使它们分别照射到分开的检测器上。

本位置检测系统的一个优选实施例具有一个比第一实施例大的捕获范围，其特征还在于，分束器的分束面设置在与测量光束的主光束成一夹角处，以使由该面所反射的测量子光束与法线成一锐角照射在基准面上，其中所述测量子光束是第二测量子光束，且其中在由反射器反射的第一测量子光束的光路中设置一个会聚透镜系统。

在该实施例中，两个测量子光束在由分束器反射之后斜穿过会聚透镜系统，从而相对于第一实施例使由检测平面中的光束所形成的照射光斑之间的距离增大一倍，以获得一个较大的捕获范围而不会在该系统的透镜元件上发生渐晕现象。

本发明还涉及一种用电磁法扫描一个媒体的光学设备，该光学设备装有一个光学扫描装置，在其工作中，该扫描装置用一个电磁照射光斑沿至少一个方向扫描媒体，该扫描装置还装有一个旋转扫描元件以及一个用于该扫描元件的位置检测系统。该光学设备的特征在于位置检测系统是一种如前文所述的系统，目标物是所述的扫描元件。

该设备可以是例如一个激光打印机，其中将一个扫描激光束用来首先在一光敏层中设标记、符号或图像，接着使该光敏层通过墨盒，然后将这些标记、符号或图像打印在纸上。在该激光打印机中，一个扫描光斑以极快的速度扫过连续的线，通过以一个较小的速度沿一与照射光斑的扫描方向相垂直的方向移动光敏层来实现从第一线到下一线的转换。

该设备还可以是一个图像显示设备，它装有至少一个含一光敏层的反射液晶图像显示板。按照一个矩阵图案，通过用扫描光斑扫描光敏层来写要显示的图像，根据要显示的图像信息来调制形成扫描光斑的光束。为了沿第一方向以一个高速度进行扫描，使用上述快速扫描元件，用前文所述的位置检测系统控制该快速扫描元件的位置。第二扫描元件例如一个振动镜可用来沿第二方向较慢地扫描。

本发明在一个设备中获得一种特殊的用途，该设备中媒体为一种带形光学记录载体，用来记录分布于信息记录道中可用光学法检测的信息区域的结构，所述信息记录道沿垂直于记录带的纵向的第一方向延伸，所述设备设有一供带盘和一接收盘，它们用来沿第二方向传输记录带。第二方向为记录载体的纵向方向，还设有用来提供扫描光束的光源，扫描元件由具有绕其周边设置的镜面的一个可旋转的多面镜构成并实现扫描光束沿第一方向扫描的移动。用前文所述的位置检测系统来控制该多面镜的位置。

本发明还涉及一种多面镜，将该多面镜用作上述位置检测系统或光学设备中的目标物，所述多面镜的侧面由反射镜面组成，其上或下面用作测量基准面，该测量基准面可进行反射且配备有一球形元件。按照本发明，基准面设有至少一个具有反射部分的区域，该部分与其周围的部分不同。

通过在基准面上提供一个偏向反射的区域或一个条或几个条组成的图案，周期性地调制由第二测量子光束所产生的检测信号，由此可得出转速或频率。

根据下文所述的实施例，将解释清楚本发明的这些及其它方面。

图1表示出用来扫描光带的一个设备的线路图；

图2表示出用于该设备中的一个发光源检测系统的一个实施例；

图3表示出按照本发明的光学检测系统的原理，该系统用来检测该设备中多面镜的位置；

图4表示出要设在基准面上的条的图案的一个实施例；

图5表示出用该图案所获得的转速信号；

图6和图7表示出按照本发明的位置检测系统的不同的实施例；

图8表示出一个激光打印机的线路图，在该激光打印机中可使用所述的位置检测系统；

图9表示出一个具有一图像显示板的图像显示设备的线路图，可用照射光束来写该显示面板，在其中可使用所述的位置检测系统；

图10表示出这样一个显示板的结构。

在图1中，参考数字1代表一带形记录载体，将该记录载体经一固定导带件4从供带盘3直接传送给接收盘2。该装置不必包括任何其他的导带件。两个盘分别由各自的电动机驱动(图中未示)。可以以记录带的张力保持恒定这样一种方式驱动电动机。用箭头5表示记录带的移动方向。

该设备的扫描装置包括：光源检测系统10，它提供扫描光束b；旋转多面镜20，它将例如平行光束反射给物镜30，物镜30将该光束在记录带上聚焦为照射光斑V。该多面镜20包括例如十个镜面f₁-f₁₀，这十个镜面例如平行于该多面镜的旋转轴。在工作期间，该多面镜沿箭头22的方向旋转。每个镜面沿光束的光路旋转，图中的镜面f₂会沿与记录带的移动方向5相垂直的箭头25的方向使光束穿过物镜的入射光孔。由该物镜所形成的照射光斑V随后扫描沿垂直于方向5的方向延伸的记录道。用镜面f₁、f₁₀等依次扫描第二、第三记录道。

将来自装置10并照射到一个镜面上的光束定位由来自多面镜的扫描光束所限定的平面中，该来自装置10的光束以例如38°的夹角延伸到移动了例如48°角的扫描光束的中心位置。f_-θ透镜形式的物镜具有例如1.25mm有效焦距和0.45数值孔径。然后可以将扫描光斑例如在垂直方向上移动1mm。这样，就可以读、写在与记录带移动方向相垂直方向上具有1mm长度的记录道。

可以将多个垂直信息记录道的水平条写在一条记录带上。为此，首先将1mm长的记录道从记录带的开头写到末端。然后反转记录带的移动方向，将记录带与光学系统相互间移动稍大于1mm的距离，并写入下一个垂直记录道的水平条。因而，可以在一条具有12.7mm宽的记录带上设置含信息记录道的12个条。该设备还适合于记录8mm宽的记录带。以一种与写记录带相类似的方式实现对被写过的记录带进行的读操作。然后，由记录带所反射的光束沿反方向经同一光路到达光源检测系统。以与在音频光盘(CD)播放机中类似的一种方式获得信息信号、聚焦误差信号和跟踪误差信号。

光源检测系统包括一个具有例如780nm波长的高功率二极管激光器。如果物镜具有一个0.45的数值孔径NA，则可获得与小型光盘系统的分辨率不相上下的分辨率。那么可达到1bit/μm的信息密度，一条12.7mm宽、42m长的记录带可包含50G字节信息。

在记录道方向上的信息密度为例如0.6μm/bit，从而一个记录道可包含将近1600比特。多面镜的额定旋转频率为例如每秒2000转。具有十个镜面的多面镜的扫描频率则为20KH_z。在每记录道1600比特的条件下，可达到每秒32M比特的比特速率。记录道周期例如约为1.6μm。在20KH_z的扫描频率的条件下，在读与写期间的带速为3.2cm/sec。这是一个较低的速度，从而无需复杂的带传送机构。

图2表示出光源检测系统10的一个实施例的剖面图。该实施例与用于小型光盘系统中的装置相类似。该装置包括一个二极管激光器形式的光源11，该二极管激光器提供一发散光束b。由衍射光栅12将该发散光束b分为一个中央主光束和两个副光束(图中未示)，该中央主光束用来读写信息，两个副光束用来跟踪。这些光束穿过一个偏振敏感分束器13，并由准直透镜14转换成平行光束。经四分之一波长板16，光束离开光源检测系统，射向多面镜20。可在准直透镜14与四分之一波长板16之间设置一个用来减小该装置长度的折射镜15。必要时，可在四分之一波长板16的后面设置一个由物镜17和准直透镜18组成的远焦装置，以便将光束直径减小到期望值例如1.1mm。在经多面镜反射光束后，用物镜30将光束聚焦于记录带上，从而在记录带上产生一个主光斑或扫描光斑和两个副光斑。

在光束穿过物镜30之后，用多面镜把由记录带所反射的光束反射给装置10，该光束沿反方向穿过装置10直到分束器13为止。这里，从沿垂直于图的平面的方向前进的光路反射光束以到达辐射光敏检测系统60。在分束器13与装置60之间设置一柱面透镜19，用该柱面透镜19使主光束显著象散。该光束射入一四象限检测器，用该四象限检测器可确定形成于检测平面中的主光斑的形状，该主光斑的形状由光束聚焦于记录带上的程度决定。在本实施例中，使用两个用来跟踪的副光斑，它们与分离检测器相配合，因为用它们可实现令人满意的跟踪误差检测，而与记录道中的信息位的性质无关。由于多面镜的各镜面与该多面镜的旋转轴平行，所以副光斑沿与主光斑移动的路径相平行的直线移动。因此，可使用在光盘系统中所使用的那样的标准三点跟踪装置。

应注意到，图2中所示的光源检测系统只是可能的实施例中的一个。可以以从小型光盘工艺技术中获知的各种方法修改该装置。例如，可以用一个脊角棱镜代替用作聚焦检测的柱面透镜，该脊角棱镜把由记录带反射的光束分为两个子光束，每个子光束与一个检测器对相配合。那么每个子光束相对于有关的检测器对的位置就是聚焦程度的度量。不仅可以通过用两个副光斑产生跟踪信号，而且可以仅通过将用于扫描光束的检测器分为两部分来从该光束中产生跟踪信号。通过对检测器的信号相减，获得一个跟踪信号。该方法即为人所共知的推挽法。分束器13可由衍射光栅代替，衍射光栅把由记录带反射的扫描光束反射给检测系统。这种光栅可分为两部分或具有一个象散装置。

可在一个执行机构(图中未示)中设置物镜或扫描透镜30，从而可沿两个方向移动该透镜30，沿一方向的移动用于聚焦设置，沿另一方向的移动是用于跟踪。为了确定平均聚焦位置，经导带件4传送带。但是，还可能例如由于记录带的厚度变化会在记录带表面与透镜30之间产生一个低频距离变化。这可由所述第一移动补偿，从而可以以透镜的焦面总与记录带表面相重合这一方式改变透镜与记录带表面之间的距离。该聚焦调节可具有一个非常小的频带宽度。如果透镜30的焦面相对于记录带表面倾斜，则必须进行聚焦倾斜校正。为此，导带件可具有一个可倾斜的装置。

当写一个空记录带时，将物镜固定安装在一固定位置。本系统具有足够高的稳定性以一恒定跟踪周期来完美地对直的记录道进行写操作。在本系统中不会在扫描频率附近的一个频率处发生振荡现象。

当读一个已被写过的记录带时，会引起扫描光斑与所扫描的记录道的三个不期望有的相对运动。第一个相对运动是沿与记录道方向相平行的一个方向的记录带的运动。该运动并不带来麻烦，因为把扫描路径的长度选得比记录道的长度长。这使得记录道总在扫描区域内。该运动唯一的影响是在已读取的信号中产生一个小的延迟。第二个不期望有的运动由记录带移动速度的小变化引起。这些变化可导致产生平均跟踪误差。在对记录带进行读与写期间，可以用可能由透镜执行机构所引起的第二透镜运动补偿这一误差，所述的第二透镜运动即为透镜绕平行于且最好是位于该透镜的后焦面的一个轴旋转。该轴具有一个与记录道方向相平行的方向。为了补偿所述跟踪误差，以前述这样一种方式就可能沿一与记录道方向相垂直的方向移动扫描路径。第三个不期望有的运动由记录道相对于扫描路径的倾斜引起。为补偿这一运动，可以通过倾斜多面镜来以一个相应方式倾斜扫描路径。

这样，可以通过有效的伺服控制来补偿所有的无规律的记录带运动，从而无需具有微精密度的非常精确的导带系统。本发明的带传送机构非常简单：仅经一个导带件4就将记录带从一个盘直接传送到另一个盘。

将多面镜用电磁法安装于轴颈上，可使多面镜在六自由度内运动。需要的话，必须检测这些运动以校正它们。本发明提供一个位置检测系统，用该系统可以测量多面镜沿三个轴的运动和绕三轴中的两个轴的倾斜度。该系统还提供测量多面镜绕其旋转轴的旋转角的可能性。该系统装配简单，且有效地使用现有的可测量的辐射光以获得具有最大强度的测量信号。

图3表示出位置检测系统80的工作原理。将该系统置于多面镜的一侧，在该侧有球形元件23，见图1。在图3中，参考数字33代表一个用来发射照射光束40的二极管激光器。首先用准直透镜35将该光束40转换为一平行光束。接着，光束40照射到具有一分离面37的分光立方体36上，该分离面37将测量光束40的一部分作为测量子光束50反射给多面镜。多面镜由面31表示，可在图1中看到面31，且在上文中用面31表示基准面。面31能反射，且在其中央安装有一个半球形元件23，该半球形元件23也表示于图1中，并且也能反射。未由分光立方体反射的测量光束40的那部分射向反射器38，反射器38将该部分作为一个测量子光束45反射给基准面31上的球形元件23。首先，用物镜39将该测量子光束45聚焦于球形元件23的弯曲部分的中央。由元件23所反射的测量子光束再次穿过物镜39并由反射器反射给分束器36，分束器36将光束45的一部分反射给一个光敏检测系统60，该系统60包括多个检测元件。把将测量子光束转换为一个会聚光束55的透镜41置于分束器与检测系统60之间。当沿图平面中X方向和垂直于图平面的Y方向移动多面镜时，由检测平面中的第一测量子光束所形成的照射光斑分别相对于检测系统60的各元件分别沿X和Y方向运动。通过以公知的方式将检测元件的输出信号组合在一起，可以测量该运动。在用来测量图平面中Z方向上多面镜的运动的光路中设置一个柱面透镜34。该透镜将二极管激光器光束转换成一象散光束。在用基准面反射后，这样一束光在检测平面中形成一照射光斑，该光斑的形状取决于光束在球形元件23的弯曲部分的中央上的聚焦程度。如果将光束集中聚焦在此点，即，如果基准面相对于位置检测系统的位置恰当，则所述照射光斑为圆形。当基准面的位置偏离所期望的位置时，即，当不再将光束集中在所述弯曲部分的中央时，所述照射光斑为椭圆形。可以用置于检测系统60中的四象限检测器以一种公知的方式检测照射光斑的形状并由此检测多面镜的基准面的Z位置。

另一方面，可在分束器与检测系统60之间设置柱面透镜34，而不在发光源33与分束器36之间设置柱面透镜34。也可以用一个偏振敏感分束器与一个四分之一波长板的组合来替代中性分束器36。那么，从原理上，所有来自基准面31的照射光都射向了检测系统60。在与光束40的主光束有45°夹角的位置处可设置一块具有分离层的平行平面板，而不设置一个偏振敏感或不敏感的分光立方体，所述分离层是偏振敏感的或不敏感的。这样一块平行平面板也导致光束中的像散现象，从而无需柱面透镜34。

由分束器所反射的第二测量子光束50作为一束平行光照射在基准面31的平坦部分。该光束由基准面反射，且由分束器将该光束的一部分传给检测系统60(还曾由透镜41会聚该光束)。在绕X和/或Y轴倾斜多面镜和基准面31时，沿X和/或Y方向把由检测平面中第二测量子光束所形成的照射光斑扫过系统60的检测元件，从而可测量这些倾斜角。

通过把一个比基准面其余部分低或高的反射系数赋予基准面的平坦部分的一个区域或一个狭长条，如图1中用条24所示，可以以一个短的时间间隔减小或增大第二测量光束的强度，从而可为检测系统创造另外一个测量的可能性。如果出现一个单独的具有偏离反射的区域，则在多面镜的每转就减小或增大一次第二测量光束的强度，且由该光束所产生的检测信号将于每转有一次最小或最大值。这样，可确定每个时间单位(秒或分)多面镜的转数，并由此确定多面镜的转速或旋转频率。所述的区域或狭长条可以由一个暗区域或条组成、或者由一个通过糙化获得的漫射区域或栅格组成。该区域的大小最好等于用来取得最大效果的第二测量子光束的截面积。

可在基准面的平坦部分上设置多个径向变化的条或线而不是单独一个区域或条。那么，由第二测量子光束产生的检测信号每转有一个相应的最小数或最大数。这样可测量多面镜的相对旋转角。用测量旋转角的所期望的精确度和由第二测量子光束在基准面上形成的照射光斑确定条数。每个条可由一条黑线或暗线组成或者由一个漫射槽组成。

为测量转速，可以以这样一种方式提供基准面，即它在整个360°具有一个不变的线性反射变量，而不是在基准面中设置一个或多个具有一偏离反射的条。那么，检测信号为一个具有与一转相对应的周期的锯齿形信号。如果在基准面的360°范围内都设条，则通过线性改变暗淡程度或线性改变条密度可以实现线性增大或减小反射。

图4表示出一条要设置在用来测量转速的基准面上的条的图案，该条的图案专门适于与多面镜驱动电机结合在一起使用，该多面镜驱动电机在上述文章“A Compact Optical Tape Recording System”中有述，该文章在SPIE第2338卷，Optical Data Storage，1994年，第8-14页，且每个多面镜驱动电机装有两层四磁极线圈。如图4中所示，条结构包括两组条85和86，每组延展180°。在每组条中，条87的密度先增大而后减小。如果这样一种条的图案在第二测量子光束下旋转，则该光束的强度将会改变并且由该光束所产生的检测信号也因此变化，如图5中所示。在该图中，以任意单位在水平方向上绘制出时间t，而在垂直方向上绘制出检测信号值S₀。在垂线83与84之间的时间间隔与一转相对应。在一转中，正弦波信号S₀改变四次符号。该信号非常适于直接驱动在所述SPIE文章中所述的多面镜电动机。

在按照本发明的位置检测系统中，第一测量子光束45用来检测沿三个轴——X、Y和Z轴的位移，第二测量子光束50用来测量绕该三轴的旋转角，其中采用了由分束器所反射的照射光和由分束器传送的照射光。那么就不再需要用来测量多面镜的相对旋转角的分开的检测系统。

为了以一个令人满意的方式将第一与第二测量子光束相互分开，采用图6的实施例。在该实施例中，由分束器36将第一测量子光束45反射给球形元件23，而用分束器36将第二测量子光束50传送给反射器38。以反射器相对于光束40的主光束相差45°这样一个角来设置该反射器，从而使第二测量子光束50以与光束40的主光束相差90°的角度照射在基准面31上。由基准面31所反射的光束50斜穿过该系统，射向检测系统60，用透镜41将光束50聚焦为检测平面上的一个照射光斑62。第一测量子光束45垂直照射在球形元件上，用透镜41将所反射的光束45聚焦为检测平面上的一个照射光斑63。由于光束45直穿过该系统而光束50斜穿过该系统，并且它们显著地垂直或斜向照射在透镜41上，所以照射光斑62与63相互分开，从而可以隔开一定距离分别设置这些光束的分离检测器。

为具有一个用于各种测量信号的足够大的捕获范围，系统60的检测元件必须具有一个给定的尺寸，而照射光斑62与63必须相隔得足够远。为了防止在透镜41位置处的光束45和50之间的距离变大从而可能在该透镜上发生渐晕现象，最好使用图7中的实施例。

该实施例基本上对应于图3中的实施例，但这里沿光路倾斜放置分束器36，从而使分束面37在与光束40的主光束相差45°的方向上延伸。由此可在与光束40的主光束相差90°的方向上将由分束器所反射的第二测量子光束50照射在基准面31的平坦部分上。然后所反射的光束50斜穿过该系统，透镜41将该光束50聚焦为一照射光斑62，该光斑62位于系统轴的左侧。第一测量子光束45垂直照射在球形元件23上。这里将所反射的光束45斜向照射在分束器36的分束面37上，并由此将它反射到右侧，从而光束45也斜向照射在透镜41上。然后，由光束45所形成的照射光斑63落在系统轴的右侧。这里将照射光斑62与63远远隔开从而获得一个足够大的捕获范围，而光束45与50仍照射进透镜41，距该透镜的边缘足够远。

在图7的上部表示出检测系统60的底视图。该系统包括两个象限检测器70与75，它们分别带有检测元件71、72、73和74与76、77、78、和79。如果用a、b、c和d表示检测元件71、72、73和74的信号，用p、q、r和s表示检测元件76、77、78、和79的信号，则X、Y和Z方向上的位移M_X、M_Y和M_Z分别由下列各式给定：

M_X＝(p+s)-(q+r)

M_Y＝(p+q)-(r+s)

M_Z＝(p+r)-(q+s)；绕X、Y和Z轴的旋转角_X、_Y和_Z分别由下列各式给定：

_X＝(a+b)-(c+d)

_Y＝(a+b)-(b+c)

_Z＝a+b+c+d，其中信号_Z有例如一个跃变值，在该跃变值处一个具有较小反射率的条经过光束50的下面，或在该跃变值处的信号具有一个正弦波变量。

如图7中所示，可将分束器36绕光束40的主光束而不是绕Y轴倾斜放置，以便使照射光斑62与63离开得足够远。

本发明不仅可用于一个记录带扫描装置，而且可用于任何一个其中采用了一个可在六个自由度内移动旋转多面镜的扫描装置。也可以将激光打印机和图像显示装置作为例子描述。

图8表示出激光打印机90的工作原理。在这样一个打印机中，首先用一个扫描激光束来写一个光敏层。接着，使该光敏层经过一个墨盒，然后制成纸上的打印物。将该光敏层92绕在一个卷滚91周围，该卷滚91绕轴93旋转以便沿连续线运动。用多面镜20实现线扫描，该多面镜20具有例如六个反射镜面f并绕轴95旋转。参考数字30表示一个物镜，又例如是一个f-θ透镜，该透镜对来自于一个发光源11并由镜面所反射的光束进行聚焦，使其在媒体92上成为一个照射光斑V，该发光源11例如是一个高功率二极管激光器。根据要被写的信息，通过调制流过二极管激光器的电流或用一个例如分开的声光调制器或分开的光电调制器96来调制激光束的强度。为了检测多面镜在六自由度内的位置，该设备设有一个位置检测系统80，如参照图3、6和7所述的内容来提供该系统80。

图9表示出图像显示装置100的线路图，在该图像显示装置100中，用一个反射式的、光敏的亦即照射光可蚀刻的(radiation-inscribable)图像显示板110生成图像。在欧洲专利申请第0517517号中对这样一个板在图像投影装置中的应用进行了描述。与传统的有源矩阵板相比，照射光可蚀刻板的优点在于用它可实现一个高的发光效率，因为它不必板的表面上设置电子开关的矩阵和导电电极，并且因为该照射光可蚀刻板几乎不吸收任何照射光。

图10表示出照射光可寻址板110的结构。从写照射光130一侧看，该板包括：第一透明(例如)玻璃衬底111；透明导电层112，它最好由铟锡氧化物(ITO)组成；光敏层113，它在暗处有一个高电阻，如果将它曝光则具有良好的导电性，它最好由硅组成；可能包括的阻光层114；反光层115，它最好由一组具有四分之一波长厚度的绝缘层组成；第一取向层116；液晶材料层117；第二取向层118；第二透明导电层119和第二透明衬底120。

用来自装在一个光源里的装置125的写光束130对该板按顺序进行行扫描，光源最好既是一个激光器，又是一个射束成形光学系统，把要显示的信息例如一个视频信号加到列激光器上从而根据该信息调制激光束的强度。激光束130照射在快速旋转的多面镜20上，接着照射在第二扫描元件131上，该扫描元件131移动得更慢，并由例如一个振动平面镜或第二多面镜构成。扫描元件131将光束反射给板110。多面镜20以这样一种方式反射会聚光束130，即，形成于面板的光敏层上的照射光斑描绘出一条线。第二扫描元件131确保该照射光斑沿一个与线方向相垂直的第二方向较慢地移动。这样，在二维空间扫描该板110的光敏层113，并且写入二维象素矩阵。从日本专利申请第62-56931号的英文文摘中可知使用多面镜借助一写光束来扫描图像显示板的方法。

将电极112和119连接到电压源121上。只要光敏层113是暗的，就把电极112与液晶层117隔离开。在光敏层113的任意位置处，(其中把在高强度水平下切换的光束130连续照射在光敏层113上)，光敏层113变成导电的，并在液晶层的两端局部产生电场，从而使该层中的分子取向局部发生变化并由此使射自左边的一个读光束或投射光束145的相应部分的偏振状态发生改变。用一个检偏振镜以一种公知的方式将该偏振变化转换成由板所反射的光束146中的强度变化。

如图9中所示，带有写系统的板110可用于图像投影设备。该设备配备有一个照射装置，该装置包括一个光源140和一个射束成形光学系统141，该装置提供照射光束145。该光束经偏振敏感分束器142照射板110。用由板所反射的光束146和投影透镜143将形成于该板中的图像投射在投影屏幕144上。

该带有写系统的可蚀刻板还可以用于直视(direct-vision)设备，在直视设备中观众直接观看面板。

为确定六个自由度内多面镜20的运动，可以使用以上参照图3、6和7所描述的位置检测系统80。

在被称作激光电视的图像显示系统中，(其中用该系统借助一个扫描激光束或在彩色图像情况下的三个激光束直接将图像写在一个投影屏幕上或写在一个起同样作用的壁上，)也可以使用多面镜的位置检测系统，在例如欧洲专利申请第0374857号中描述了一个激光电视设备。在这样一个设备中，必须在高速的情况下进行扫描，因此在这种情况下最好采用小的多面镜，该小的多面镜高速度旋转并象上述SPIE文章中所描述的那样在真空状态下自由浮动。还应当以极高的准确度确定激光TV设备中多面镜的位置，为此可以再次采用按照本发明的位置检测系统。

本发明还可用于装在头顶或头盔的显示装置，其中采用了激光扫描技术。在这样的显示装置中，一个单色光束或多色光束扫过用户的眼睛，其中用要显示的信息调制该光束。装在头顶的显示装置公开于例如PCT专利申请第93/23783号、EP专利申请第0473343号和第0562742号，装在头盔的显示装置公开于US专利第5091719号中。在这些显示装置中，必须在高速情况下进行扫描，那么最好将一个高速旋转的多面镜用于这些显示装置中。应当用最高的精确度确定小而轻的多面镜的位置，因此还可以在这些显示装置中使用本发明以利于这些显示装置。

本发明的其他用途在于扫描摄影机的领域中，特别是红外摄影机，在红外摄影机中，把由物镜所形成的景物图像移过一个检测器或一行检测器。在例如US专利第3706484中描述了这样一种摄影机。使用快速旋转多面镜以将图像依次行扫过检测器。用按照本发明的位置检测系统可以极大地利于测量多面镜的位置。

多面镜还可用于这样的装置，它们用来在制造物体或工件期间和之后检查物体或工件，或用来读取物体上的编码，例如条形码，从而使按照本发明的位置检测系统也可用于这些装置中。

Claims

1.一种用来检测一个目标物相对于所述系统沿所述三个轴的位移的位移以及检测该目标物绕一正交直角坐标系的三个轴中两轴的旋转角的位置检测系统，所述目标物具有一个反射基准面，在所述反射基准面上设置一个球形元件，所述系统包括：光源，用来提供测量光束；光学系统，用来形成一个第一测量子光束和一个第二测量子光束，将所述第一测量子光束聚焦于球形元件的曲率中心，用来测量所述位移，所述第二测量子光束基本上照射到基准面上球形元件的外侧，用来测量所述旋转角；光敏检测系统，设置于由基准面所反射的、并穿过光学系统的测量子光束的光路上，所述光敏检测系统包括用于第一测量子光束的第一检测器和用于第二测量子光束的第二检测器，其中光学系统装有一个分束器，其特征在于所述光学系统还装有一个反射器，它把由所述分束器传送的测量光束部分作为一个测量子光束向基准面反射，并且其中所述分束器把测量光束的另一部分作为另一测量子光束向基准面反射。

2.一种如权利要求1中所述的位置检测系统，其特征在于第二测量子光束还测量目标物绕第三轴的旋转角，为此，基准面设有至少一个具有与其周围不同的反射面的区域。

3.一种如权利要求1或2中所述的位置检测系统，其特征在于，在一个与测量光束的主光束成某一夹角的位置处设置所述反射器，以使由所述反射器反射的测量子光束与法线成一锐角照射在基准面上，其中所述测量子光束为第二测量子光束，并且其中在由分束器向基准面反射的第一测量子光束的光路中设置一个会聚透镜系统。

4.一种如权利要求1或2中所述的位置检测系统，其特征在于，所述分束器的分束面设置在与测量光束的主光束成一夹角处，以使由该面反射的测量子光束与法线成一锐角照射在基准面上，其中所述测量子光束是第二测量子光束，且其中在由反射器反射的第一测量子光束的光路中设置一个会聚透镜系统。

5.一种用电磁法扫描一个媒体的光学设备，该光学设备装有一个光学扫描装置，在其工作中，该扫描装置用一个电磁照射光斑沿至少一个方向扫描媒体，该扫描装置还装有一个旋转扫描元件以及一个用于该扫描元件的位置检测系统，其特征在于所述位置检测系统是一种如权利要求1、2、3或4中所述的系统，所述目标物是所述的扫描元件。

6.一种如权利要求5中所述的光学设备，其中所述媒体为一种带形光学记录载体，用来记录分布于信息记录道中可用光学法检测的信息区域的结构，所述信息记录道相对于记录带的纵向沿一第一方向横向延伸，所述设备设有一供带盘和一接收盘，它们用来沿第二方向传输所述载体，第二方向为记录载体的纵向，还设有用来提供扫描光束的光源，所述扫描元件由具有绕其周边设置的镜面的一个可旋转的多面镜构成并可实现扫描光束沿第一方向的扫描运动。

7.一种如权利要求5中所述的光学设备，用于按照一个线图案将可视可读信号写入一个光敏层，所述设备装有一个光源，用来提供一个写光束和用来根据要被写的信息来调制所述光束的装置，所述扫描元件确保线扫描并由具有绕其周边设置的镜面的一个可旋转的多面镜构成，所述扫描元件实现了扫描光斑沿线方向的扫描运动。

8.一种如权利要求5中所述的光学设备，用于用电磁法写一个设有光敏层的的反射图像显示板，所述设备装有一个用来提供一个写光束的光源和用来根据要被写的信息来调制所述光束的装置，所述扫描元件用来以线的顺序扫描所述层并由具有绕其周边设置的镜面的一个可旋转的多面镜构成，所述扫描元件实现了扫描光束沿线方向的扫描运动。

9.一种如权利要求5中所述的光学设备，用于按照一个线图案将可视图像写在一个投影屏幕或起同样作用的表面上，所述设备装有一个用来提供一个写光束的光源，和用来根据要被写的图像来调制所述光束的装置，所述扫描元件用来以线的顺序扫描所述屏幕并由具有绕其周边设置的镜面的一个可旋转的多面镜构成，所述扫描元件实现了写光束沿线方向的扫描运动。

10.一种如权利要求5中所述的光学设备，用于将景物的图像转换成电信号，其中所述媒体是一个光敏检测器，所述扫描元件用来以线的顺序将所述图像扫过所述检测器并由具有绕其周边设置的镜面的一个可旋转的多面镜构成，所述扫描元件实现了图像沿线方向的运动。

11.一种用作权利要求1-4中所述的位置检测系统中和权利要求5-10中所述的光学设备中的目标物的多面镜，所述多面镜的侧面由反射镜面组成，其上或下面用作测量基准面，所述测量基准面可进行反射且配备有一球形元件，其特征在于，所述基准面设有至少一个具有反射部分的区域，所述反射部分与其周围的部分不同。

12.一种如权利要求11中所述的多面镜，其特征在于，所述基准面的反射在整个360°具有一个不变连续变量。

13.一种如权利要求11中所述的多面镜，其特征在于，在所述基准面的360°范围内都设有条的图案，这些条具有与其周围的部分不同的反射部分，所述图案被分为两个在180°范围内延展的子图案，每个图案具有变化的条密度。

14.一种如权利要求7中所述的光学设备，用于通过用激光束扫描来将图像显现给用户的眼睛，所述设备是一个装在头顶的显示设备并装有一个用来提供激光束的激光源和用来根据要被呈现的图像来调制激光束的装置，所述扫描装置用来以线的顺序扫描用户的眼睛。